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Brenner mit einer zylindrischen Mischkammer Die Erfindung betrifft
einen Brenner mit einer zylindrischen Mischkammer, deren eine Stirnseite offen ist
und in deren Mantel mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Lufteintrittsschlitze
angeordnet sind. Der Mischkammer ist koaxial eine nach einem Rotationskörper ausgebildete
Brennkammer nachgeschaltet.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, diesen Brenner so auszubilden,
daß die Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad und möglichst vollständig vor sich geht.
Zu diesem Zweck werden Brennstoff und Luft vor der Verbrennung innig miteinander
vermischt.
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Die Mischung wird dadurch erzielt, daß die in die Mischkammer eintretende
Luft einen rotierenden Luftring bildet, der in eine stromabwärts von der Mischkammer
angeordnete Verbrennungskammer austritt. Diese Verbrennungskammer besitzt die Form
eines Rotationskörpers und ist koaxial zur Mischkammer angeordnet. Gemäß der Erfindung
ist die Mischkammer an der der Verbrennungskammer abgelegenen Stirnseite geschlossen,
und es sind Mittel zur Zuführung des Brennstoffes vorgesehen, durch welche der Brennstoff
unmittelbar in den rotierenden Luftring eingeführt wird. Die Verbrennungskammer
weist einen kleinsten Durchmesser auf, der größer ist als der Auslaß der Mischkammer,
und einen größten Durchmesser, der zwei- bis dreimal so groß ist wie der Durchmesser
der Mischkammer. Die Länge der
Verbrennungskammer ist so bemessen,
daß die radiale Geschwindigkeitskomponente der kreisenden Brenstoff-Luft-Mischung
bis zum Austritt der Gase aus der Verbrennungskammer so weit abgebremst ist, daß
die Gase von hier ab im wesentlichen nur noch eine axiale Bewegungsrichtung aufweisen.
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Es ist vorteilhaft, die Verbrennungskammer zylindrisch auszubilden
und die Länge der Mischkammer so zu bemessen, daß sie zwei- bis dreimal so groß
ist wie ihr Durchmesser. Die Verbrennungskammer kann aber auch die Form eines abgestumpften
Paraboloids erhalten.
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Mit besonderem Vorteil wird die Mischkammer vertikal angeordnet und
ihr unteres Ende mit einer Pfanne zur Nachlieferung des Brennstoffes umgeben. Der
durch die tangentialen Schlitze in die Mischkammer eintretende Luftstrom streicht
dann über die Pfanne hinweg, reißt aus ihr den Brenn-Stoff mit und zerstäubt ihn,
bevor die Brennstoff-Luft-Mischung in die Brennkammer eintritt.
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Eine sehr gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes in der Mischkammer
kann dadurch erzielt werden, daß die Pfanne das Ende der tangentialen Lufteinlaßschlitze
eng umgibt.
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Die Achse des Brenners kann auch horizontal angeordnet werden, wobei
dann zweckmäßig ein unmittelbar in die Verbrennungskammer führender Zweitlufteinlaß
vorgesehen wird. Bei dieser Ausbildung wird die Mischkammer auf der Seite der Brennkammer
von einer Platte umgeben, in der eine Anzahl von Öffnungen vorgesehen ist, durch
welche eine geringe Menge Zweitluft in die Verbrennungskammer eintreten kann.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt. In diesen ist Fig. i ein vertikaler Längsschnitt durch einen Brenner
und eine Verbrennungskammer, Fig.2 ein horizontaler Querschnitt auf der Linie 2-2
der Fig. i, Fig. 2 A ein Teil eines vertikalen Längsschnittes durch einen abgeänderten
Brenner, Fig. 3 ein Vertikalschnitt durch einen Teil einer Ofenanordnung mit einer
abgeänderten Brenneranordnung, Fig. 4 ein senkrechter Teilquerschnitt der Innenseite
der Mischkammer auf der Linse 4-4 der Fig. 3, Fig. 5 ein vergrößerter, senkrechter
Schnitt des Zuführungsendes der Mischkammer auf - der Linie 5-5 der Fig. 4, Fig.6
eine Vorderansicht des Brenners der Fig. 3, Fig. 7 ein vertikaler Längsschnitt eines
Kessels, der eine Brennereinheit mit fester Mischkammer umschließt.
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In den Zeichnungen ist in den Fig. i und 2 ein Brenner dargestellt,
bei lern eine Mischkammer io von einem Mantel i i umgeben ist. Die Mischkammer weist
achsparallele Schlitze 2o auf, durch die ein unter niedrigem Druck stehender Luftstrom
eintreten kann. Eine Pfanne 12 für den Brennstoff umschließt mit ihrer Seitenwand
13 den unteren Teil der Mischkammer. Der Boden der Pfanne ist mit der Zuführungsleitung
14 verbunden, die zu einem Vorratsgefäß für den Brennstoff führt. Dieser Vorratsbehälter
kann als Speisefalltank für den flüssigen Brennstoff oder als Fülltrichter für pulverisierten
Brennstoff ausgebildet sein, oder er kann bei flüssigen Brennstoffen mit einer Brennstoffpumpe
bzw. bei gasförmigen Brennstoffen mit einem Gebläse ausgestattet sein.
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Die im wesentlichen zylindrische, an einem Ende offene Mischkammer
ist am vorderen Ende durch eine Wand 16 abgeschlossen. Die achsparallelen Schlitze
2o der Mischkammer io sind, mit Führungsflächen i8 versehen.
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Eine Ringplatte 2 1 verbindet den äußeren Rand der Mischkammer io
mit dem Mantel i i, der an seinem unteren Ende mittels eines Flansches 22 an einem
Fundament befestigt werden kann.
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Der aus der Pfanne i2 durch die Schilitze 2o in die Mischkammer io
eintretende Brennstoff bildet in dieser mit der gleichzeitig ' eintretenden Luft
einen kreisenden, oben und unten offenen Gemischring 23. Die Strömung erfolgt dabei
so, daß die Brennstoffteilchen. längs einer Schraubenbahn durch den Luftring geführt
werden.
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In der Zone 24 nimmt die Luft Brennstoff auf, während in der Zone
25 die eigentliche-Mischung erfolgt. Die Form des Luftringes entspricht etwa einem
abgestumpften Paraboloid, dessen Scheitel außerhalb der Mischkammer liegt. Trotz
dieser Abweichung von der zylindrischen Form wird dieser Luftkörper im folgenden
als »im wesentlichen zylindrisch« bezeichnet.
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Die Verbrennung findet in der Zone 26 statt, die so weit von den anderen
Teilen des Brenners entfernt ist, daß diese nicht mehr unter der hohen, bei der
Verbrennung auftretenden Temperatur leiden.
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Die obenerwähnten Größenverhältnisse der Verbrennungszone, der Einzugszone
und der Mischzone können durch _ die Geschwindigkeit des wirbelnden, hohlen Brennstoffluftmantels
bestimmt werden, der eine Funktion des Luftdrucks im Behälter und der Eintrittsgeschwindigkeit
der Luft ist. Sie hängen ferner von dem Verhältnis des Durchmessers der Mischkammer
io zur Länge der Leitflächen 18 ab. Die Verdoppelung des Mischkammerdurchmessers
und die Halbierung der Leitflächenlänge ergibt z. B. bei Gleichbleiben der Leitfläche,
des Druckabfalls und der Luftkapazität des Brenners die 4fache Querschnittsflädhe
der Öffnung, die durch das obere Ende der Mischkammer io gebildet wird. Aus diesem_
Grunde soll die Vertikalgeschwindigkeit mit zunehmendem Durchmesser :herabgesetzt
werden. Im allgemeinen gilt, daß die Verteilung günstiger ist, wenn die Höhe der
Mischkammer größer ist als ihr Durchmesser.
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Es wurde festgestellt, daß es nicht nur notwendig ist, den soeben
beschriebenen Mantel von schraubenförmig bewegter Brennstoff-Luft-Mischung zu erzeugen,
sondern daß man große Sorgfalt darauf verwenden muß, ein vorzeitiges Ausfallen des
Brennstoffes aus der Luft zu verhindern;
dieses Ausfallen kann durch
eine plötzliche Änderung der Geschwindigkeit bewirkt werden, wenn die Mischung den
beschränkten Raum der Mischkammer verläßt. Vorteilhaft ist eine feuerfeste Verbrennungskammer
im Anschluß an das Ende der Mischkammer io. Eine solche ist bei 28 dargestellt und
kann die Ringplatte 2i der Mischkammer io umfassen und auf ihr angeordnet sein.
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Bei kleinen Öfen mit verhältnismäßig geringer Wärmeleistung und kleinen
Luftgeschwindigkeiten ist es besonders vorteilhaft, die innere Wand 29 der Einfassung
nach einer Fläche zu gestalten, die durch Rotation einer Parabel erhalten wird,
so daß die Zunahme der Querschnittsfläche im Vergleich zu der Auswärtsbewegung des
Brennstoff-Luft-Gemisches bis zur Verbrennungsflamme vergleichsweise gering bleibt.
Bei einer solchen Konstruktion ergibt sich eine ungewohnt gute Verbrennung mit einem
glühenden Flammenball mit sichtbarem Hof, wodurch eine nahezu vollständige Verbrennung
angezeigt wird.
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Die feuerfeste Verbrennungskammer erlaubt eine ununterbrochene Verbrennung,
teils wegen der Rückstrahlung von der Brennkammerwand auf die Brennstoffteilchen
oder -dämpfe, teils wegen der Wirbelwirkung des Brennstoff-Luft-Gemisches, das die
brennenden Brennstoffteilchen in Suspension erhält, bis die Verbrennung beendet
ist. Die wirbelnde Flamme wird zur Rückzündung der Mischung :dienen, wenn eire Neigung
der Flamme, zum Auslöschen bei Zuführung größerer Luftmengen bestehen sollte.
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Die Wirbelbewegung des Brennstoffes und der Luft in der Mischkammer
kann dadurch verdeutlicht werden, daß ein Körper, welcher über die Mitte der Windform
gehalten wird, in die mittlere Bahn hineingesaugt wird. Diese Wirbelbewegung strebt
danach, einen Teil der heißen Gase aus der Verbrennungskammer als auch einen Teil
der Flamme selbst anzusaugen, so daß Wärme aus der Verbrennungskammer zwecks Vorheizung
des Brennstoff-Luft-Gemisches gegen den Wirbelweg des Brennstoffes und der Luft
zurückgeführt wird. Dadurch ergibt sich eine sehr wirksame Verbrennung.
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Weren,d im oben beschriebenen Fall die Luft niedrigen Druckes, die
den Brennstoff aufnimmt, Verbrennungsluft wird, d. h. vollständig an der Brennstoffverbrennung
teilnimmt, kann auch Zweitluft dieser Luft niedrigen Druckes beigefügt werden, wenn
mehr Verbrennungslift erforderlich ist. Solche zusätzliche Zweitluft kann durch
eine zusätzliche Vorrichtung zugeführt werden, wie sie beispielsweise in Fig. 3
gezeigt ist. Die Brennstoffzufuhr kann ebenso im Bedarfsfall durch einen erhöhten
Druck auf die Luft gesteigert werden, die zwischen den Leitflächen 18 hindurchgeht.
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Bei Anwendung des obenerwähnten Grundsatzes auf eine horizontale Brenneranordnung
ergab sich, obgleich erwartet werden konnte, daß ein flüssiger Brennstoff normalerweise
dazu neigen würde, vom oberen Punkt der Mischkammer fortzustreben und damit zu einer
ungleichmäßigen Flamme führen würde, daß dies nicht der Fall war, wenn die Speisepfanne
sich eng an das Ende der Mischkammer anschließt. In einem solchen Falle erfolgt
die Zufuhr des Brennstoffes zweckmäßig nur mit einer Geschwindigkeit, die genügt,
um die Brennstoffpfanne gefüllt zu erhalten. Wenn hierbei der Luftstrom zuerst eingeschaltet
wird, so ist die Flamme gleichmäßig.
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Der Vorteil dieser Beobachtung ist bei vielen Ofeneinrichtungen von
großerBedeutung, die einen Wandbrenner brauchen, und zwar nicht nur wegen der Zugänglichkeit,
sondern auch wegen der Gleichmäßigkeit der Erhitzung. Ein praktischer Brenner dieser
Bauart, der für eine Ofenseitenwand geeignet ist, ist in den Fig.3 bis 6 dargestellt.
Die Brenneranordnung 30 umfaßt ir diesem Falle die Mischkammer 32, die Speisepfanne
33, die primäre Luftzuführung 3q., den VT;ndksstc n 35 und die Steuerungsmittel,
wobei Je ''._'c# le zu einer festen Einheit zusammengefügt sind. Auf diese Weise
kann die ganze .Brenneranordnung 30 mittels Schrauben 38 an der Ofenplatte
37 befestigt werden.
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Nach Ansdhluß der Brennstoffleitung bei 39 und der Luftleitung bei
40 ist der Brenner betriebsbereit.
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Insbesondere in Fig. 3 sieht man, daß das Gehäuse 34 für die Erstluft,
in dem -die Mischkammer 32 befestigt ist, sich bis zur äußeren Stirnwand der Verbrennungskammer
42 erstreckt, die in der Ofenwand 44 durch die Ausfütterung 45 gebildet ist. Der
Durchmesser der Verbrennungskammer 42 ist vorzugsweise zwei- bis dreimal so groß
wie der Durchmesser der Mischkammeröffnung, und, von der Mischkammer aus sollte
ihre Läufige ebenso groß sein wie der Dürchmesser. Die Mischkammer 32 befindet sich
auf diese Weise außerhalb des Ofens und in einer Zone verhältnismäßig niedriger
Temperatur. Sie ist bei 46 von feuerfesten Körpern umgeben, die mehrere Reihen von
Öffnungen 46" und q.6b für Zweitluft aufweisen, welche den Windkasten 35 mit der
Verbrennungskammer verbinden.
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Die Zweitluft tritt in den Windkasten durch Eine lasse 48 ein, wobei
vorzugsweise ein mit Schlitzen versehener Teil 5o zusammen mit einer beweglichen,
mit Schlitzen versehenen Ventilplatte 51 zur Veränderung der Luftzufuhr dient. Diese
Platte 5 1 kann einen Griff 52 haben, der die Einstellurig im Betrieb ermöglicht,
wenn es notwendig ist, die feststehenden Öffnungen 50" mehr oder weniger
mit den verschiebbaren Öffnungen 51" in Deckung zu bringen.
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Die Mischkammer 32 kann zwei Sätze von Leitblechen 32a und 32b aufweisen
und mit einem im wesentlichen zylindrischen Leitblech 54 versehen sein, welches
die Leitbleche 32a und 32b auf haltet Länge eng umschließt und mittels eines Bandes
gehalten wird. Das Leitblech 54 hat 'einen solchen lichten Durchmesser, daß nahezu
die gleichen Luftmengen zu den zugehörigen Leitblechgruppen strömen. Bei großen
Einheiten, die mit hohen Luft-. geschwindigkeiten arbeiten, könnte.sonst die Neigung
zu
einer Kanalbildung der Luft bestehen. Diese wird in einfacher Weise durch die beschrie=
bene Anordnung verhindert.
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Wie in dem vorhergehenden Fall können die Leitbleche aus einem Metall
geschnitten sein, das an sich nicht völlig hitzebeständig zu sein braucht. Es wurde
festgestellt, daß, obwohl sehr höhe Temperaturen vor dem Brenner erzeugt werden,
die hohe Luftgeschwindigkeit die Leitbleche relativ kalt erhält. Eine hohe Lebensdauer
der Leitbleche wurde erreicht durch die Verwendung verschiedener Stahllegierungen,
wie z. B. mit 18% Nickel, 8°/o Chrom und anderen. Vorzugsweise sind die Leitbleche
über ihre ganze Länge gerade, um die Herstellung zu vereinfachen.
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Der Abstand der Brennstoffpfanne 33 von dem geschlossenen Ende 32e
der Windform ist in üblicher Weise festgelegt, beispielsweise durch Blöcke 57. Die
Seitenwand 33a der Brennstoffpfanne ist, wie bereits erwähnt, unmittelbar gegen
die Leitbleche 32b gelehnt, so daß schmale Öffnungen 56 gebildet werden. Die Enden
der Leitbleche 32b liegen -hierbei gemäß Fig.4 und 5 alle auf einem Kreisumfang.
Die Seitenwand 33Q der Brennstoffpfanne erstreckt sich etwa 15 bis 25 mm über das
Ende der Blätter hinaus und bildet dadurch die in gleichem Abstand voneinander befindlichen,
eingeengten Öffnungen 56, die sich unmittelbar im Luftweg befinden. Infolgedessen
wird jedes Brennstoffteilchen sofort in. den Luftstrom hineingezogen, und die hohe
Geschwindigkeit der in die Mischkammer eintretenden Luft bewirkt eine sehr große
Wirbelgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches.
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Nach Erzielung der gewünschten Mischang tritt das Brennstoff-Luft-Gemisch
wirbelnd in die Verbrennungskammer 42 aus, wo es durch geeignete Mittel z. B. ein
aus dem Rohr 58 austretende Zündflamme gezündet wird. Die Verbrennung erfolgt nahezu
vollständig innerhalb der Verbrennungskammer. Die Kürze der Flamme und die Vollständigkeit
der Verbrennung ahne Anwesenheit von Rauch deuten die praktisch vollständige Mischung
von Brennstoff und Luft an.
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Im allgemeinen ist die Verbrennung so vollständig, daß Zweitluft im
normalen Sinne nicht notwendig ist. Jedoch kann es wünschenswert sein, eine kleine
Zweitluftmenge, beispielsweise 1o his 2o%, zur Vermeidung einer Überhitzung der
feuerfesten Auskleidung der Verbrennungskammer 42 zu benutzen. Die kleine Luftmenge,
die durch zwei vollständige Reihen von Öffnungen 32e in der Mischkammerplatte 32d
eingeführt wird, genügt für diesen Zweck und setzt den allgemeinen Wirkungsgrad
des Ofens nicht herab. Gleichzeitig wird die Koksbildung sowohl in derVerbrennungskammer
als auch auf der Mischkammerstirnwand verhindert.
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Es wurde bereits auf die Anpassungsfähigkeit des Brenners bezüglich
Verwendung von verschiedenen flüssigen oder verflüssigten Brennstoffen hingewiesen.
Wenn durch eine Leitung 6o Gas und durch eine Leitung 61 Öl der Brennstoffleitung
39 zugeführt werdeh, ist es möglich, beide Brennstoffe sowohl gleictfzeitig als
auch einzeln zu verbrennen. Beim Anheizen kann dann zunächst das Gas benutzt werden,
bis die Verbrennungskammer 42 heiß ist, dann kann das Öl ohne Schwierigkeit gezündet
werden.
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Es wurde auch mit Erfolg Kohlenstaub benutzt. Ein Brenner für diesen
Brennstoff ist in Fig.2A dargestellt. Die Brennstoffpfanne 12Q wird mit einer zusammenhängenden
ringförmigen Wand 13" versehen, die die unteren Enden der Leitbleche 18 gemäß Fig.
1 überdeckt, jedoch ist die untere Wand nach unten erweitert und bildet einen s.tumpfkegeligen
oder trichterförmigen Körper zur Zuführung des Kohlenstaubes. Ein Lager 15 ist in
geeigneter Weise am Boden oder an der unteren Wand 16" der Mischkammer 1o befestigt
und trägt das obere Ende einer mischschneckenähnlichen Zuführungsvorrichtung 65,
die in der Zuführungsleitung 14" angeordnet ist. Das untere Ende der Mischschnecke
wird durch geeignete, nicht dargestellte Mittel angetrieben, und der Brennstoff,
der Kohle, Koks oder ein anderer Brennstaub sein kann, kann in die Zuführungsleitung
durch bekannte Mittel eingebracht sein.
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Der Brennstaub kann aber auch mit Hilfe von Luft aufgewühlt und unmittelbar
der Brennstoffpfanne ebenso . zugeführt werden wie Gas oder flüssiger Brennstoff.
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Einige Brennstoffe müssen, damit sie flüssig sänd, erhitzt werden.
Beispielsweise konnte Asphalt nach Erwärmung auf etwa 2oo° ohne Schwierigkeit gepumpt
oder durch die Schwerkraft gefördert werden. Die Verwendung von vorgeheizter Luft
ist dabei vorteilhaft, um eine vorzeitige Abkühlung des Asphalts beim Durchgang
durch die Schlitze 2o zu vermeiden.
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Die unterschiedlichen Brennstoffe, die verbrannt werden können, und
die Einfachheit der Anordnung machen den erfindungsgemäßen Brenner insbesondere
für leichte Öfen geeignet, in denen der Brenner die Verbrennungsprodukte unmittelbar
in die Siederohrkammer hineinbläst, die vollständig von Wasser umgeben ist. Die
Temperatur. des Brenners ist so hoch, daß bei einem ungekühlten Brennraum (Fig.3)
die Gefahr der Überhitzung der Wände besteht. Dies ist jedoch nicht der Fall bei
dem in Fig.7 mit 7o bezeichneten Ofen. Bei dieser Ofentype bildet der Wasserkessel
72 den Hauptkörper der Einheit mit einer Verbrennungskammer 74, die durch Siederohre
76 mit der Esse 78 verbunden ist.
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Bei diesem Kessel wird die zylindrische Mischkammer 86 aus der Leitung
87 mit Brennstoff und durch das Gehäuse 88 mit Luft versorgt. Die brennbare Mischung
kann durch die Öffnung 89 gezündet werden. Der wirbelnde Mantel oder die Säule aus
Brennstoff und Luft tritt in den Hals 9o aus, in dem die Verbrennung zu den sehr
heißen Verbrennungsgasen erfolgt, die für diese Kesselart besonders wichtig sind.
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Der erfindungsgemäße Brenner ist außerdem besonders geeignet für den
Haushalt und die Wohnung;
dazu müssen nur der Durchmesser und die
Höhe des Brenners auf ein geeignetes Maß reduziert werden, und es muß eine Sparflamme
vorgesehen werden, um eine wiederholte Zündung zu ermöglichen.